血壓計(jì)用MEMS壓力傳感器設(shè)計(jì)與制造

彭時(shí)秋， 朱賽寧， 肖步文

(無(wú)錫中微晶園電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

0 引 言

微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)壓力傳感器是傳感器行業(yè)中市場(chǎng)規(guī)模最大的細(xì)分市場(chǎng)之一，具有體積小、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。其中應(yīng)用較廣泛的是在汽車電子領(lǐng)域及工業(yè)控制領(lǐng)域，量程大多在MPa級(jí)別[1，2]。隨著時(shí)代的發(fā)展及人們對(duì)健康的重視度提高，血壓儀開始走進(jìn)用戶家庭，并在健康保健方面發(fā)揮著重要的作用。核心器件為40 kPa量程微壓壓力傳感器，市場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模極大。

但在MEMS微壓傳感器實(shí)際設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中，同時(shí)能夠滿足最優(yōu)狀態(tài)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝較難達(dá)到。因此，研究如何設(shè)計(jì)及制造高靈敏度和線性度的微壓傳感器具有重要意義。目前一般采取凸形壓敏電阻或異性結(jié)構(gòu)的方式優(yōu)化[3]，還可以通過(guò)調(diào)整工藝和版圖的方式調(diào)節(jié)靈敏度，如使用多晶硅制作壓力敏感膜片和壓敏電阻[4]。另外，為適用于高溫、高壓等嚴(yán)酷環(huán)境，部分新材料如SOI、碳化硅及石墨烯等新材料也被研究人員利用制作壓力傳感器[5]。

受到上述工作的啟發(fā)，本文根據(jù)COMSOL Mutilphysics仿真軟件，針對(duì)40 kPa電子血壓計(jì)用微壓壓力傳感器芯片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用COMSOL軟件仿真優(yōu)化了壓敏電阻的放置位置，得到可獲得較高輸出靈敏度以及較小非線性的電阻位置，解決了靈敏度與線性度無(wú)法同時(shí)滿足工程需求的難題；并基于公司自有的0.5 μm CMOS-MEMS工藝線流片及標(biāo)準(zhǔn)塑封工藝，完成了壓力傳感芯片的研制。

最后對(duì)封裝成品進(jìn)行不同氣壓下的性能測(cè)試，分析并比較了測(cè)試結(jié)果。

1 壓阻式壓力傳感器工作原理

壓力傳感器一般由硅片襯底、壓敏電阻、金屬焊盤(bonding Pad)、背腔及玻璃片等結(jié)構(gòu)組成。其中壓敏電阻用于感受硅膜上受到的壓力，并將力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，背腔結(jié)構(gòu)則決定了壓力感應(yīng)膜的大小和厚度，并為傳感器提供了參考?jí)毫6,7]。

壓阻式壓力傳感器的工作原理是利用多晶硅或者單晶硅的壓阻效應(yīng)，將4只壓敏電阻按照設(shè)計(jì)布局排放在特定的晶向上形成惠斯通電橋。當(dāng)在硅敏感薄膜上施加外力后，敏感膜兩側(cè)會(huì)有壓差形成，敏感膜片發(fā)生變形，在壓敏電阻上產(chǎn)生與被測(cè)壓強(qiáng)呈近似線性關(guān)系的應(yīng)力，使壓敏電阻阻值發(fā)生變化，此時(shí)電橋就會(huì)失衡，從電橋輸出端就可以獲得反映被測(cè)壓強(qiáng)大小的電壓信號(hào)。

惠斯通電橋電路如圖1所示。圖1中Vo為輸出電壓，Vs為電路激勵(lì)電源。電阻R1和R3主要承受縱向應(yīng)力的作用，在負(fù)載作用下被拉長(zhǎng)；相對(duì)應(yīng)的，R2和R4主要承受橫向應(yīng)力的作用，在縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力作用下，電阻分別有著不同的壓阻系數(shù)，因此R2，R4與R1，R3有著相反的電阻值改變[8]。

圖1 惠斯通電橋電路結(jié)構(gòu)

電橋的輸出電壓可表示為

(1)

理論上，在初始狀態(tài)下，4只壓敏電阻阻值設(shè)計(jì)相等，此時(shí)惠斯通電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓為零。當(dāng)受到壓力時(shí)，敏感電阻值相對(duì)變化量與壓阻系數(shù)π及應(yīng)力σ之間的關(guān)系為[9]

(2)

式中πl(wèi),πt分別為單晶硅主軸系的縱向及橫向的壓阻系數(shù)，σl,σt分別為縱向及橫向壓力，Gl,Gt為縱向和橫向應(yīng)變系數(shù)，εl，εt為縱向和橫向應(yīng)變。因此,輸出電壓又可表示為

(3)

采用恒壓源對(duì)惠斯通電橋供電，最終傳感器的輸出靈敏度S可以表示為

(4)

式中PM為滿量程壓力，V(PM)和V(0)分別為滿量程和零點(diǎn)輸出電壓。

2 壓阻式壓力傳感器芯片設(shè)計(jì)與制作

本文中壓力傳感器的設(shè)計(jì)壓力量程為40 kPa，該量程屬于微壓量程，綜合加工工藝難度、加工成本和市場(chǎng)需求等方面考慮后，本文決定采用P型壓敏電阻、方形壓力感應(yīng)膜片和背腔四甲基氫氧化銨(TMAH)濕法腐蝕[10]的總體設(shè)計(jì)思路，采用差壓式壓力傳感器的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，尺寸選定為：芯片長(zhǎng)度及寬度均為2 mm，厚度為0.4 mm。另外，壓敏薄膜厚度、壓敏薄膜邊長(zhǎng)、壓敏電阻大小及位置直接影響傳感器靈敏度與線性度，本文將采用模擬仿真的方式結(jié)合工藝難度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 壓敏膜層設(shè)計(jì)

壓阻式壓力傳感器壓敏膜層如過(guò)厚容易導(dǎo)致器件靈敏度低，如過(guò)薄，則非線性度增加，且壓敏電阻的制作與工藝控制較難，必須同時(shí)兼顧。因此使用COMSOL軟件進(jìn)行仿真，結(jié)合工藝加工難度，確認(rèn)薄膜尺寸。

壓敏傳感膜受到的壓力設(shè)置0～100 kPa內(nèi)改變，不同壓敏膜上應(yīng)力情況如圖2所示。當(dāng)壓敏傳感膜厚度小于等于10 μm時(shí)，應(yīng)力隨壓力呈非線性變化，意味著電阻也將呈非線性變化，導(dǎo)致輸出非線性。當(dāng)硅膜厚度大于10 μm時(shí)，應(yīng)力隨壓力呈線性變化。同時(shí)，隨著薄膜厚度增加，相同壓力下應(yīng)力不斷減小，產(chǎn)生的響應(yīng)也將隨之減小。因此，在背槽刻蝕工藝過(guò)程，需要控制硅膜厚度大于10 μm。為了提高壓力傳感器的靈敏度，壓敏傳感膜尺寸越大、厚度越薄越好。但越大越薄的壓敏傳感膜制作時(shí)，背部濕法腐蝕的開口也越大，底部支撐傳感器的面積就越小，膜片也容易變形損壞，導(dǎo)致壓力傳感器失效。

圖2 壓敏傳感膜上應(yīng)力與受壓壓力及膜厚的關(guān)系

綜合靈敏度、加工良率及可靠性，壓敏傳感膜的厚度選定為15 μm。在0～40 kPa滿量程范圍內(nèi),傳感器薄膜邊長(zhǎng)a和膜厚h需滿足下式[11]

(5)

式中 泊松比σ=0.278，硅的彈性模量E=170 GPa，滿量程壓力P=40 kPa。根據(jù)式(5)計(jì)算出壓敏傳感膜的長(zhǎng)度a≤1 469.5 μm，本文選取膜片邊長(zhǎng)為1 000 μm，根據(jù)硅的濕法腐蝕結(jié)構(gòu)得到背部濕法腐蝕的開窗大小L為1 544 μm。

2.2 壓敏電阻設(shè)計(jì)

壓敏電阻值決定了壓力傳感器的工作電流和功耗。在供電電壓一定的情況下，壓力傳感器的功耗與壓敏電阻值呈反比。本文將壓敏電阻的阻值設(shè)定為5 kΩ。當(dāng)供電電壓為5 V時(shí)，壓力傳感器的工作電流為1 mA，功耗為5 mW，可以滿足血壓計(jì)應(yīng)用端需求。

為獲得較高的靈敏度，一般都將壓敏電阻設(shè)計(jì)成多折形狀。但當(dāng)折數(shù)過(guò)多時(shí)，會(huì)使實(shí)際阻值與設(shè)計(jì)阻值之間偏差過(guò)大，同時(shí)負(fù)壓阻效應(yīng)也會(huì)增大，因此本文設(shè)計(jì)的電阻形狀設(shè)為1折。

為了提高壓力傳感器的靈敏度降低非線性指標(biāo)，需要通過(guò)COMSOL軟件仿真尋找膜片內(nèi)應(yīng)力最大的位置。首先進(jìn)行建模，建立模型面積：1 mm×1 mm，模型厚度為15 μm，邊界載荷P=100 kPa，作用面為1 mm×1 mm面積，將壓力設(shè)置為逐漸增加，將簡(jiǎn)化的硅襯底四周和底面設(shè)定為固定約束。

圖3為使用COMSOL軟件對(duì)壓敏膜層上應(yīng)力進(jìn)行仿真的結(jié)果。從圖3(a)中可以看到，壓敏膜片上應(yīng)力主要集中在膜片四周邊緣中間的位置。從圖3(b)中可以看到，壓敏膜片邊緣的中點(diǎn)處500～550 μm處應(yīng)力達(dá)到最大，兩端應(yīng)力迅速減小。因此，在設(shè)計(jì)方案中，壓敏電阻擺放在圖3中方框范圍內(nèi)時(shí)壓敏電阻受到的應(yīng)力最大，壓力傳感器的輸出也越大，可以獲得最高輸出靈敏度以及最小非線性。

圖3 應(yīng)力分布仿真

最終設(shè)計(jì)的傳感器芯片主要參數(shù)：材料片厚度為400 μm；芯片尺寸為2 000 μm×2 000 μm；彈性膜長(zhǎng)度為1 000 μm；彈性膜厚度為15 μm；電阻長(zhǎng)度為130 μm；電阻寬度為10 μm；阻值為5 kΩ；量程為40 kPa。設(shè)計(jì)版圖如圖4所示。

圖4 壓力傳感器芯片設(shè)計(jì)版圖

2.3 壓力傳感器流程設(shè)計(jì)與制作

本文利用公司自有標(biāo)準(zhǔn)CMOS-MEMS工藝產(chǎn)線對(duì)注入劑量、退火條件、氮化硅介質(zhì)層應(yīng)力進(jìn)行工藝?yán)驼?，最終完成傳感器芯片的制作并封裝測(cè)試對(duì)比性能。整合的工藝流程圖如圖5，主要工藝步驟包括：1)硅片準(zhǔn)備；2)薄氧氧化；3)P—區(qū)光刻、腐蝕、注入；4)P+區(qū)光刻、腐蝕、注入；5)退火；6)介質(zhì)層；7)孔光刻腐蝕；8)金屬互連結(jié)構(gòu)形成；9)背槽光刻腐蝕。

圖5 芯片工藝流程示意

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圓片完成后，使用SOP6塑封封裝形式，經(jīng)過(guò)劃片、裝片、鍵合、注塑、彎腳成型等工序完成成品封裝，成品及測(cè)試原理如圖6所示。

圖6 壓力傳感器測(cè)試原理

測(cè)試時(shí)，采用德國(guó)Druck壓力控制儀器PACE5000提供標(biāo)準(zhǔn)的輸出壓力,將壓力傳感器放在高低溫試驗(yàn)箱(GDS—50)中，通過(guò)導(dǎo)氣管接通傳感器與壓力控制器。輸入端使用Keithley 2400源表提供5 V電壓，使用HIO DT4282萬(wàn)用表測(cè)試輸出電壓。

在壓力傳感器測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試的壓力范圍為0～40 kPa，每隔2.5 kPa為一個(gè)壓力測(cè)試點(diǎn)，在25,0,50 ℃三個(gè)溫度下測(cè)試不同壓力點(diǎn)下傳感器的輸出電壓，并記錄升壓降壓時(shí)不同壓力點(diǎn)處的輸出電壓，將測(cè)試數(shù)據(jù)繪圖分析輸出特性如圖7所示。

圖7 輸出特性曲線

從圖7(a)可以看到，壓力傳感器的輸出電壓與加載的輸入壓力呈良好的線性關(guān)系。隨著壓力的増大，傳感器的輸出電壓也隨之增大，說(shuō)明在壓力作用下，位于硅膜上的壓敏電阻條阻值隨硅膜形變的增大而増大。在常溫下，壓力傳感器滿量程輸出約為89 mV。但在高溫50 ℃和低溫0 ℃時(shí)，壓力傳感器輸出電壓略有漂移，隨著溫度升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在室溫25 ℃、供電電壓為5 V時(shí)，壓力傳感器輸出靈敏度為0.445 mV/V/kPa，非線性為0.073 6 %FS。從圖7(b)可以看出，上行輸出電壓與下行輸出電壓兩條曲線幾乎重合，傳感器的遲滯很小，為0.038 %FS。本文設(shè)計(jì)的壓力傳感器的遲滯特性良好，小于典型值0.05 %FS。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)硅壓阻式MEMS壓力傳感器的工作原理分析，對(duì)血壓計(jì)用40kPa壓力傳感器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真及版圖設(shè)計(jì)，基于自有CMOS-MEMS工藝線完成工藝設(shè)計(jì)及圓片流片，完成了壓力傳感器芯片的制作。經(jīng)過(guò)封裝后測(cè)試評(píng)估，MEMS壓力傳感器滿量程輸出達(dá)到89 mV，靈敏度性能達(dá)到0.445 mV·V-1·kPa-1，遲滯0.038 %FS,非線性度達(dá)到0.073 6 %FS，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。本文的研究結(jié)果對(duì)于微壓MEMS壓阻式壓力傳感器的設(shè)計(jì)研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。